专利名称：利用磁性电介质的超材料天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种CRLH-TL天线上采用磁性电介质(magneto-dielectric material)实现天线小型化的技术，尤其涉及一种对于采用补丁(patch)和导通孔(via)构 成的CRLH-TL天线利用SRR磁化电介质实现小型化的利用磁性电介质的超材料天线。
背景技术：
最近，利用超材料(metamaterial)设计天线的研究急剧增加。超材料是指有规律 地排列特定单位结构而具备自然界不存在的电磁特性的物质。各种超材料中，人们日益关注可以任意调整介电常数和导磁系数的值的超材 料。具有代表性的物质是被称作Negative Refractive Index (NRI)和Left_Handed Material (LHM)的物质，该物质是有效介电常数和导磁系数均具有阴的值的物质，其电场、 磁场及传播方向遵循左手定则。将上述超材料的特征适用于天线时，可以提高天线的性能。应用于天线的超材料的结构中，具有代表性的结构是Composite Right/Left Handed Transmission Line (CRLH-TL)结构。该结构的特征之一是0次共振模式，这是传播 常数成为0的共振模式，波长会无限大，而且不会发生由于传播传输引起的相位滞后问题。 由于CRLH-TL结构的参数决定该模式的共振频率，不会依赖天线的长度，非常易于实现天 线的小型化。当然，也可以利用1次共振模式制作天线。这种方式可以具备与普通补丁天线相 同的放射模式而共振频率非常低。最近，人们开始关注可以增加导磁系数的磁性电介质。使天线实现小型化的传统 方法有使用介电常数高的基板的方法。可是，介电常数高的基板存放能量时，会出现天线效 率降低、带宽变窄等弊端。与此相反，使用导磁系数高的基板时，不仅可以解决以上问题，还 可以实现天线的小型化问题。将对于向外部放射的磁场(magnetic field)做出响应的金属结构物插入到普通 基板而制造出磁性电介质。主要利用的结构是Split Ring Resonator (SRR)，这种结构通过 外部磁场向SRR输入电流并通过此过程产生磁场，从而与外部磁场相应地改变导磁系数。 导磁系数显示出共振特性，共振频率下频带中导磁系数的值大于1，共振频率中等离子体 (plasma)频率之间具有音的导磁系数值，而等离子体频率以上则具有小于1的量的值。用 于磁性电介质的频带是共振频率以下频带。发明技术问题的公开本发明涉及一种CRLH-TL天线上采用磁性电介质(magneto-dielectric material)实现天线小型化的技术，尤其涉及一种对于采用补丁(patch)和导通孔(via)构 成的CRLH-TL天线利用SRR磁化电介质实现小型化的利用磁性电介质的超材料天线。技术方案为了解决以上问题，本发明提供一种以如下内容为特征的利用磁性电介质的超 材料天线，其特征在于包括插入SRR (Split Ring Resonator)结构而制备磁性电介质的
3基板、与所述基板相隔给定间距而形成于上部的CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line)结构补丁以及与所述基板相隔给定间距而形成于下部的接地。优选地，所述基板、补丁及接地采用通过导通孔相互连接的磁性电介质。而且，所述基板包括由2个单元装置组成的SRR结构体，所述SRR结构体的一单元 装置以放射状配置了 8个SRR。另外，所述SRR结构的一单元装置中，沿着所述基板(200)的纵向以放射状设置长 度相对长的6个第1 SRR，且沿着所述基板(200)的横向设置长度短的第2 SRR。所述第1 及第2 SRR面对面到形成在基板的上面和下面。而且，通过贯通基板的导通孔连接面对面地形成在基板的上面和下面的所述第1 及第2 SRR的两末端。另外，形成在所述基板的下面的第1及第2 SRR的中央部形成插槽。而且，所述补丁是由两个单元装置(unit-cell)组成的CRLH-TL结构天线。另外，所述补丁与供电线路(feed line)微带线相隔给定间距而实施双供电。而且，本发明提供一种具备所述超材料天线的无线通信终端。有益效果如上所述，本发明涉及一种CRLH-TL天线上采用磁性电介质 (magneto-dielectric material)实现天线小型化的技术，特别是，提供一种对于采用补丁 (patch)和导通孔(via)构成的CRLH-TL天线利用SRR磁化电介质实现小型化的利用磁性 电介质的超材料天线。附图简要说明
图1是图示利用本发明优选一实施例磁性电介质的超材料天线的图。图2是图示由本发明优选一实施例磁性电介质组成的基板的图。图3是图示本发明优选一实施例SRR结构的图。图4是图示本发明优选一实施例天线磁场产生方向的图。图5是图示本发明优选一实施例第1 SRR频率导磁系数的变化的图。图6是图示本发明优选一实施例第2 SRR频率导磁系数的变化的图。图7是根据是否使用SRR对比反射损失的图表。图8是图示本发明优选一实施例0次共振模式中SRR表面电流(surface current)的图。图9是图示本发明优选一实施例天线生成的磁场方向的图。图10是图示采用本发明优选一实施例SRR结构实际制作的天线的照片。图11是图示实际制作天线的被检测反射损失和模拟反射损失的图表。图12是图示实际制作天线的被检测放射模式的图。实施本发明的最佳方式要想很好地理解通过本发明和本发明的动作优点以及本发明的实施要达到的本 发明的目的，需要参考示意本发明优选实施例的附图和附图上记载的内容。以下参考附图和本发明的优选实施例详细说明本发明。各个附图上标注的相同的 参考符号表示相同的部件。图1是图示利用本发明优选一实施例磁性电介质的超材料天线的图。
如图1所示，本发明CRLH-TL结构的超材料天线(100)采用SRR(Split Ring Resonator)结构(210)制作磁性电介质基板(200)且在该基板(200)上形成补丁 (300)。更具体地讲，所述超材料天线(100)由三个层组成，最上层的上面形成补丁 (300)，中间层利用基板(200)的上面和下面设置SRR结构体(210)，最下层向接地(400)动 作。所述三个层通过导通孔(500)连接。所述补丁(300)是由两个单元装置(unit-cell)组成的CRLH-TL天线，所述补丁 (300)的下端部中每个单元装置都以8个SRR(211、212)具备SRR结构(210)而磁化电介 质，且将所述电介质用作基板(200)。所述超材料天线(100)的规格是L = 25謹、W = 12. 4謹、gap = 0. 2謹，使用的导 通孔的半径是0.3mm。基板使用Rogers RT/duroid 5880基板，其中，上下基板的厚度是 1. 55mm(62mil)，中间基板的厚度是0. 508mm(20mil)，横向及纵向的规格均为55mm。通过宽 度为8mm的微带线(microstrip line ；310)实现天线的供电。图2是图示由本发明优选一实施例磁性电介质组成的基板的图，图3是图示本发 明优选一实施例SRR结构的图。图2及图3所示，所述SRR结构(210)由长度相对长的第1 SRR(211)和长度短的 第2 SRR(212)组成，沿着所述基板(200)的纵向以放射状排列6个所述第1 SRR(211)，且以 横向设置所述第2 SRR(212)。图3中(a)具备第1 SRR(211)结构，(b)具备第2 SRR(212)结构。所述第1及第2 SRR(211、212)对称地形成于基板的上面及下面，且通过贯通基板 的导通孔(500)连接以基板为中心面对面的各个SRR(211、212)的两末端。而且，形成于所述基板的下面的第1及第2SRR(211、212)的中央部形成插槽 (slot,213)。所述 SRR 的规格是 L_large_srr = 11mm、L_small_srr = 4. 5mm、w_srr = 2mm、 gap_srr = 0. 2mm> h_srr = 1. 55mm、via_r = 0. 3mm。图4是图示本发明优选一实施例天线磁场产生方向的图。为了使所述SRR结构(210)对于磁场做出响应，需要使SRR结构(210)和磁场方
向垂直相交。如图4所示，采用补丁(300)和导通孔(500)组成的CRLH-TL超材料天线(100) 中，沿着以导通孔(500)为中心旋转的方向形成磁场。因此，以导通孔(500)为中心以放射 状设置所述第1及第2 SRR(211、212)为宜。通过模拟观察了所述SRR的运行特性。模拟采用了 CST Microwave Studio 2006B。图5是图示本发明优选一实施例第1 SRR频率导磁系数的变化的图。如图5所示，第1 SRR(211)在4. 37GHz显示出共振特性。低于此频率时，导磁系 数的值会大于1。而高于此频率时，导磁系数一开始变成负数之后又重新变成了小于1的正 数。用作磁性电介质的频率的范围介于少于SRR共振频率的频带，该频带中导磁系数的值 大于1。图6是图示本发明优选一实施例第2 SRR频率导磁系数的变化的图。如图6所示，所述第2 SRR(212)在7. 91GHz显示出共振特性，导磁系数的变化形 态与所述第1 SRR(211)相同。
根据CRLH-TL天线采用SRR时的情况和不采用SRR时的情况，观察了天线共振频 率的变化。供电线路(feed line)微带线(310)和补丁 (300)之间相隔0. 3mm间距并实施 双供电。表 权利要求
一种利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于包括插入SRR结构而制备磁性电介质的基板、与所述基板相隔给定间距而形成于上部的CRLH TL结构补丁以及与所述基板相隔给定间距而形成于下部的接地。
2.根据权利要求1所述的利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于通过导通孔相 互连接所述基板、补丁及接地。
3.根据权利要求1所述的利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于所述基板具备 由两个单元装置组成的SRR结构，所述SRR结构的一单元装置以放射状设置8个SRR。
4.根据权利要求3所述的利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于所述SRR结构 的一单元装置沿着所述基板(200)的纵向以放射状设置长度相对长的6个第1 SRR，且沿着 横向设置长度短的第2 SRR ；所述第1及第2 SRR面对面地形成于基板的上面及下面。
5.根据权利要求4所述的利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于通过贯通基板 的导通孔连接面对面地形成于基板的上面和下面的所述第1及第2 SRR的两末端。
6.根据权利要求4所述的利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于形成于所述基 板的下面和下面的第1及第2 SRR的中央部形成插槽。
7.根据权利要求1所述的利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于所述补丁是由 两个单元装置组成的CRLH-TL结构天线。
8.根据权利要求1所述的利用磁性电介质的超材料天线，其特征在于所述补丁是与 供电线路微带线相隔给定间距而实施双供电。
9.包括权利要求1至8之一超材料天线的无线通信终端。全文摘要
本发明涉及一种CRLH-TL天线上采用磁性电介质(magneto-dielectric material)实现天线小型化的技术，尤其涉及一种对于采用补丁(patch)和导通孔(via)构成的CRLH-TL天线利用SRR磁化电介质实现小型化的利用磁性电介质的超材料天线。更具体地讲，本发明包括插入SRR(Split Ring Resonator)结构而制备磁性电介质的基板、与所述基板相隔给定间距而形成于上部的CRLH-TL(Composite Right/LeftHanded Transmission Line)结构补丁以及与所述基板相隔给定间距而形成于下部的接地。
文档编号H01Q1/24GK101946365SQ200980105885
公开日2011年1月12日 申请日期2009年2月3日 优先权日2008年2月20日
发明者张庆德, 成元模, 朴位相, 柳秉勳 申请人:株式会社Emw;浦项工科大学校产学协力团